有趣！废弃咖啡渣也能成为制备多孔碳的理想材料

全球每年产生约900万吨废弃咖啡渣(WCG)，其富含纤维素(30.2%)和木质素(12%)的特性使其成为制备多孔碳的理想原料。

台湾研究团队通过KOH活化工艺，将咖啡渣转化为比表面积高达3320 m²/g的分级多孔活性碳（ACG）。当应用于超级电容器电极时，该材料在6M KOH电解液中展现出350.4 Fg⁻¹的高比电容，更令人瞩目的是在50,000次充放电循环后仍保持94%的容量。

其团队在2025年6月发表于《Biomass and Bioenergy》的研究成果，标志着生物质基碳材料性能的重大突破。

研究团队采用两步转化法：

1.预碳化处理：在惰性气氛中将废弃咖啡渣转化为碳前体

2.KOH活化工艺：通过精准调控活化参数创造多孔结构

关键技术突破点在于活化参数的精确控制。研究人员系统调整了KOH与前驱体比例（1：1至4：1）和活化温度（700-900°C），最优样品ACG4-900在900°C、KOH/前驱体4：1条件下，创下3320 m² g⁻¹的超高比表面积纪录。

结构表征显示：

1.SEM图像：活化后样品呈现蜂窝状多孔结构

2.XRD图谱：在24°和43°出现典型碳峰，表明非晶/石墨混合相

3.Raman光谱：ID/IG=0.93证实高度缺陷结构，有利于电荷存储

这种分级多孔结构包含：

1.微孔（<2nm）：占比71.8%，提供主要电荷存储空间

2.介孔（2-10nm）：作为离子传输通道

3.大孔：提升整体机械稳定性

当应用于双电层电容器（EDLC）时，该材料在6M KOH电解液中展现出卓越性能：

1.高比电容：0.5 A g⁻¹电流密度下达350.4 F g⁻¹

2.优异倍率性能：10 A g⁻¹时仍保持73%容量

3.极低内阻：EIS测试仅0.39 Ω

4.超长循环寿命：50000次循环后容量保持率94%

这些性能指标超越了多数已报道的生物质碳材料，或为低成本、高性能超级电容器开发开辟了新途径。

然而，咖啡渣高值化利用的核心工艺——KOH活化技术，虽然在实验室取得突破性成果，但要实现规模化生产仍面临诸多挑战。

KOH活化制备多孔碳的工艺细节十分关键：

1.原料混合方式：可采用研钵研磨混合或浸渍再烘干，各有利弊

2.KOH吸潮问题：KOH在空气中易潮解并部分转化为K₂CO₃，影响活化效果

3.后处理难点：碳化后产生的白色副产物（主要为K₂CO₃和未反应KOH混合物）需用盐酸洗涤

4.实验中发现，盐酸洗涤过程会产生大量气泡，这是盐酸与K₂CO₃反应释放CO₂所致。实际操作需缓慢滴加盐酸以避免反应过于剧烈。

在活化参数控制方面，台湾研究团队通过精准调控：

1.热冲击温度：800-900℃

2.活化时间：5-10秒

3.KOH/前驱体质量比：1：1-4：1

才实现了超高比表面积（3320 m² g⁻¹）和优化的孔结构分布。这种高温热冲击技术（HTS）是一种颠覆传统的电焦耳加热技术，可在超短时间内（<10毫秒） 将原材料加热到3000K以上，升/降温速率高达10⁵ K/s。

然而规模化生产面临三重挑战：

1.设备腐蚀：KOH强碱性对设备腐蚀严重

2.成本控制：化学活化剂用量大，回收困难

3.工艺放大：实验室参数难以在工业设备中完美复现

学界建议的解决方案包括开发原位表征技术如同步辐射XAS，以及探索绿色活化工艺如等离子体辅助活化。

（数据来源覆盖学术论文、产业报告及企业动态，数据由Deepseek收集）